嗜冷酵母菌宏基因組學(xué)分析研究現(xiàn)狀

丁曉婭

(中國海洋大學(xué) 山東 青島 266003)

一、前言

嗜冷微生物適應(yīng)低溫環(huán)境的能力是分子進(jìn)化和適應(yīng)的結(jié)果，其生理適應(yīng)性表現(xiàn)在許多方面，它們共同抵消了低動(dòng)能環(huán)境和水凍結(jié)帶來的有害影響?？茖W(xué)家通過實(shí)驗(yàn)和觀察等方式已經(jīng)研究了嗜冷酵母菌的相關(guān)嗜冷機(jī)制，但在當(dāng)前比較基因組學(xué)分析的背景下，嗜冷酵母菌的蛋白質(zhì)組、基因組、宏基因組和轉(zhuǎn)錄組序列數(shù)據(jù)激增，引發(fā)了一系列新的研究。這些研究揭示了氨基酸組成的一致性和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定變化機(jī)制，鑒定了參與冷適應(yīng)的新基因的存在，從而更全面地進(jìn)行嗜冷機(jī)制分析。

目前已經(jīng)對(duì)50多個(gè)嗜冷微生物基因組進(jìn)行了完整測序，其中大多數(shù)具有可以公開訪問的注釋結(jié)果[1]。從南極宏基因組核酸測序[2-4]，深海隨機(jī)全基因組獵槍測序和冰川冰焦測序也獲得了大量的基因組序列數(shù)據(jù)。對(duì)南極宏基因組文庫的功能篩選還確定了許多冷適應(yīng)酶，例如脂肪酶，酯酶和纖維素酶。

二、宏基因組學(xué)分析

嗜冷菌基因組和宏基因組測序的主要焦點(diǎn)之一是確定嗜冷菌的序列決定因素。當(dāng)處理小型數(shù)據(jù)集(例如單個(gè)蛋白質(zhì)序列)時(shí)，在一般進(jìn)化和遺傳漂移的背景下，很難解釋氨基酸對(duì)低溫做出的適應(yīng)性改變。而當(dāng)使用非常大的數(shù)據(jù)集，例如基因組或宏基因組序列數(shù)據(jù)時(shí)，可能會(huì)降低蛋白質(zhì)或基因特有的進(jìn)化作用的影響，而更關(guān)注極端環(huán)境帶來的影響力。

采用宏基因組學(xué)方法，在南極四個(gè)不同門的海洋低溫菌的六個(gè)基因組片段中觀察到了廣泛的冷適應(yīng)性的氨基酸修飾[2]。蛋白預(yù)測的結(jié)果包括天冬氨酸，谷氨酸和精氨酸殘基數(shù)量的顯著減少，鹽橋、脯氨酸含量和疏水性含量的減少，這些都與熵和構(gòu)象的增加有關(guān)，可以降低蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的剛性，從而更好地適應(yīng)低溫環(huán)境。

從宏基因組序列的基因組含量中也可以預(yù)測出冷適應(yīng)機(jī)制。據(jù)預(yù)測，來自海洋的Crenarchaeota的宏基因組克隆中存在多個(gè)水平基因轉(zhuǎn)移，可以起到適應(yīng)低溫環(huán)境的作用[3]。冰川冰焦測序發(fā)現(xiàn)了許多用于合成冷凍保護(hù)劑甘氨酸、膽堿、肌氨酸和谷氨酸的基因，與細(xì)胞膜膜流動(dòng)性有關(guān)的基因，包括決定不飽和脂肪酸合成的基因和編碼去飽和酶的基因，將飽和脂肪酸轉(zhuǎn)化為不飽和脂肪酸的基因[5]?？傊罅吭趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的冷適應(yīng)機(jī)制已經(jīng)在宏基因組序列數(shù)據(jù)得到驗(yàn)證，這為實(shí)驗(yàn)室不可培養(yǎng)的嗜冷菌的嗜冷機(jī)制研究提供了機(jī)會(huì)。

三、基因組學(xué)分析

嗜冷菌基因組和宏基因組分析的趨勢相似，通過對(duì)不同嗜冷酵母菌基因組研究，從分子層面揭示其特殊的適應(yīng)性機(jī)制，分析獲得嗜冷相關(guān)基因，研究嗜冷菌對(duì)低溫和其他極端環(huán)境的適應(yīng)性。

從古細(xì)菌嗜冷菌、致冷甲烷菌和布氏甲烷八疊球菌的推導(dǎo)蛋白質(zhì)中可以鑒定出高水平的不帶電荷極性氨基酸(尤其是谷氨酰胺和蘇氨酸)和較低的疏水性氨基酸(尤其是亮氨酸)含量[6]。對(duì)1000多種蛋白質(zhì)同源性模型的分析表明，來自古細(xì)菌嗜冷菌的蛋白質(zhì)往往具有更多的谷氨酰胺、蘇氨酸和疏水殘基，極性殘基(特別是絲氨酸)增加、谷氨酸替代天冬氨酸、蛋白表面帶電殘基普遍減少的趨勢，進(jìn)一步支持了增加靈活性和降低熱穩(wěn)定性有助于酶的冷適應(yīng)[7]。

在基因組和宏基因組水平上的序列數(shù)據(jù)分析可以鑒定出發(fā)生差異表達(dá)的基因，這些不同的適應(yīng)性機(jī)制包括對(duì)特定氨基酸的取代、膜流動(dòng)性、相容性溶質(zhì)、游離自由基的損傷保護(hù)、冷休克反應(yīng)和基因組的可塑性等。

四、蛋白質(zhì)組學(xué)分析

嗜冷菌的蛋白質(zhì)組學(xué)分析表明嗜冷菌中存在大量可受低溫誘導(dǎo)的基因。在M.burtonii中，通過基因組和蛋白質(zhì)組學(xué)分析鑒定了冷適應(yīng)的蛋白質(zhì)，其參與了一系列細(xì)胞過程，包括DNA復(fù)制和細(xì)胞分裂、RNA聚合酶機(jī)制、蛋白質(zhì)折疊、產(chǎn)甲烷作用、轉(zhuǎn)座和細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)[8,9]。從這些基因組和宏基因組學(xué)分析中可以看出，嗜冷菌中的多個(gè)系統(tǒng)參與了對(duì)低溫環(huán)境的整體適應(yīng)。

從基因組分析和宏基因組學(xué)分析中可以發(fā)現(xiàn)，氨基酸組成的變化都大致符合蛋白質(zhì)穩(wěn)定和去穩(wěn)定化的原則。然而，從單個(gè)蛋白質(zhì)組觀察到的“嗜冷機(jī)制”并不能用來預(yù)測氨基酸組成的整體適應(yīng)性，嗜冷機(jī)制不是一組獨(dú)特的基因，而是總體基因組含量和氨基酸組成的協(xié)同變化[10]，不同的嗜冷菌可以采用不同的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)在低溫下生存的目的。

五、結(jié)語

基因組和宏基因組學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)于分析嗜冷菌在適應(yīng)低溫環(huán)境時(shí)基因組的可塑性將非常有益，為進(jìn)一步的生理分析和其他研究提供了強(qiáng)大的基礎(chǔ)。通過對(duì)不同嗜冷酵母菌基因組研究，從分子層面揭示其特殊的適應(yīng)性機(jī)制，分析獲得嗜冷相關(guān)基因，有助于揭示生命的起源進(jìn)化等一系列問題，為生物的嗜冷機(jī)制及生物多樣性研究提供理論基礎(chǔ)。